직렬엔진

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직렬엔진(in-line engine)

직렬엔진(in-line engine)은 실린더가 엔진의 앞뒤 방향으로 나란히 직각 방향(수직)인 엔진이다. 일반적으로 가장 널리 볼 수 있는 엔진 배열 방식으로, 4실린더 및 6실린더 엔진에 많다. 약자로 일렬로 늘어서 있다는 의미의 inline의 'I'(엘)을 사용한다. 예를 들어 4기통 직렬엔진일 경우 L4(Linear)나 I4로 표기한다.

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개요

직렬엔진은 모든 실린더를 일렬 수직으로 배열한 엔진이다. 엔진의 가장 전통적인 방식이며 기본 형태로, 소형차부터 중형차까지 널리 이런 형식을 주로 사용한다. 엔진에서 실린더의 배열 방법은 공간을 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 직렬 배열은 4기통까지는 문제가 없으나 6기통 이상이 되면 엔진이 길어지고, 자동차의 앞부분도 이에 비례해서 함께 길어진다. 그러나 V형엔진 등에 비하면 메커니즘이 간단하여 소형차 엔진에서는 주류를 이룬다. 한때 직렬엔진이 가진 단점으로 자동차 제조사들이 직렬엔진보다 공간 효율성이 높은 V형엔진으로 전환하는 시기가 있었다. 하지만 3기통과 4기통은 정비성과 생산성이 좋아 여전히 승용차 엔진으로 쓰이고 있다. 차체 길이가 긴 트럭이나 중대형 버스에는 승용차에 비해 엔진룸이 넓어 공간 배치의 단점이 사라지기 때문에 6기통 엔진도 사용한다.

특징

직렬엔진의 모든 부품은 일관된 방향으로 배치되어 있어, 다른 방식의 엔진과 비교했을 때 설계가 단순하며 비교적 간단한 구조를 가지고 있다. 그렇기 때문에 진동에 대한 변수가 적어 진동을 억제하는 방법을 찾기 쉬운 장점이 있다. 직렬 6기통 엔진은 사이클 과정에서 1번과 6번 피스톤, 2번과 5번 피스톤, 3번과 4번 피스톤이 똑같은 위치에 있게 된다. 즉, 서로 진동을 흡수하는 구조로 이루어져서 진동만 고려했을 때 가장 이상적인 엔진이 된다. 엔진의 실린더가 일정한 직렬로 배열되어 있어 일정한 각도에서 폭발할 수 있고 수직으로 배치되어 있어 중력 방향으로 직접 충격을 주어서 횡진동을 유발하지 않는다. 그로 인해 엔진마다 조금의 차이는 있지만, 회전이 부드러워진다. 회전이 부드러워지면 에너지 효율이 높고 비교적 출력도 높아진다. 이론적으로 가장 균일한 힘을 제공하여 진동이 적다. 또한, 다른 병렬엔진에 비해 엔진헤드가 적어 엔진헤드와 관련된 부품 수가 적어지면서 가격이 저렴해진다. 또한 직렬엔진은 뜨거운 쪽과 차가운 쪽이 있다. 한쪽에는 뜨거운 배기가스를 내보내는 배기 매니폴드가 있고, 반대쪽에는 연료 분사 시스템이 있다. 엔진을 세로로 배치하면 뜨거운 쪽 공간이 넓어 싱글 터보나 점점 일반화되고 있는 트윈 터보, 전동 부스터(e-booster)와 보닛 아래 열기를 제어할 수 있는 장치를 달기에 좋다. 또한, 공간 면에서 마일드 하이브리드 시스템의 벨트 구동 스타터 제너레이터처럼 빠르게 늘어나고 있는 기술을 담기에도 유리하다. 벨트 구동 스타터 제너레이터는 일반 알터네이터보다 더 크기 때문이다.

하지만 직렬엔진은 보통 2,000cc급 전후의 소형 또는 중형 엔진에서는 정숙성과 정비성, 생산성이 모두 뛰어나지만 그 이상의 배기량에는 적합하지 않다. I3, I4, I6이 대표적이며 진동성과 경제성을 고려한 4기통과 6기통이 많다. 이러한 엔진은 하나의 실린더 블록으로 충분하며 캠샤프트, 실린더 헤드 등 부품의 개수를 줄일 수 있기 때문에 경제적이다. 하지만 실린더가 수직으로 장착되기 때문에 수평대향 엔진이나 비스듬히 누워 있는 다른 엔진들보다 무게 중심이 높아 차량의 동력 성능이 저하되는 점도 있다. 직렬엔진의 한계는 보통 최대 6기통이다. 6기통 이상은 실린더가 일렬로 배열된 직렬엔진의 특성상 엔진의 길이가 길어지기 때문이다. I4를 위해 설계된 엔진룸은 약간의 변경으로 V6 엔진을 장착할 수 있지만, 직렬 6기통이 들어가기 위해서는 엔진룸을 길고 넓게 다시 설계해야 하고, 큰 엔진룸은 커다란 차체를 만들어 무겁고, 큰 차체는 많은 연료가 필요해진다. 만약 블록의 격벽을 얇게 만들어 부피를 줄인다고 해도 엔진의 내구성이 낮아지는 문제가 생긴다. 또한, 기통수가 많아지면 크랭크축에 비틀림 하중이 증가하여 축에 많은 무리가 가므로 비교적 고속을 요구하는 자동차 엔진에서는 6기통을 초과하지 않는다. 그럼에도 불구하고 BMW를 포함한 여러 자동차 제조사에서는 여전히 직렬 6기통 엔진을 고수하고 있다. 왜냐하면 기술의 발달로 직렬 6기통의 장점은 극대화하면서 단점은 극복했기 때문이다. V형엔진의 진동 흡수력도 밸런서 기술의 발달로 개선되었다지만, 직렬 6기통의 구조적인 장점을 뛰어넘을 수는 없기 때문이다. 직렬 6기통 엔진은 횡방향의 진동을 상쇄해 완전 밸런스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고회전에서도 조용하고 섬세하게 움직이는데, 이러한 장점은 엔진이 노후하면서 더 큰 장점이 된다.

관련 엔진

V형엔진

V형엔진은 엔진의 실린더를 V형으로 배열한 기관이다. 직렬엔진 2개가 V자로 연결된 형태이다. 직렬엔진 다음으로 내연기관자동차에 자주 사용되는 방식이다. 일반적으로 각 뱅크에 동일한 수의 실린더가 공통 크랭크 샤프트에 연결된 두 개의 실린더 뱅크로 구성되어 있다. 이 실린더 뱅크는 서로 비스듬히 배열되어 있어서 엔진 전면에서 볼 때 뱅크가 V 모양을 형성한다. V6, V8 및 V12 엔진은 각각 6개, 8개 또는 12개의 실린더가 있는 자동차 엔진의 가장 일반적인 레이아웃이다. 6기통 이상의 차량은 대부분 V형 엔진을 사용한다. 흔히 볼 수 있는 V6 배지는 엔진 실린더가 V자이며 6기통 사양임을 의미한다. 일반적으로 V6 엔진은 3.0~3.8리터 배기량을 갖고 있으며, 4.0리터 이상일 경우 8기통인 V8 엔진을 사용한다. 고성능 스포츠카는 V10, V12 엔진을 사용하며, 1930년대에는 자동차용 V16 엔진도 존재했다. V형엔진의 특징은 인상적인 출력과 성능이다. V자 구성은 더 많은 수의 실린더를 수용하면서 보다 콤팩트한 디자인을 형성할 수 있다. 그 결과 상당한 마력과 토크가 발생하여 짜릿한 가속과 최고속도를 제공한다. 또한 다양한 구성으로 제공될 수 있는 장점이 있어 자동차 제조업체는 스포티하고 반응성이 뛰어난 V6 엔진에서 슈퍼카에서 볼 수 있는 엄청난 힘을 가진 V12 엔진에 이르기까지 다양한 성능 선호도를 충족할 수 있다.

수평대향 엔진

수평대향 엔진은 V형엔진의 뱅크 각도를 최대한 넓힌 수평 형태의 엔진이다. 엔진이 누워 있기 때문에 보통의 엔진처럼 피스톤 운동이 상하가 아닌 좌우로 움직인다. 피스톤이 움직이는 모습이 마치 복싱선수가 두 주먹을 날리는 모습을 닮아 박서(boxer) 엔진이라고도 불린다. 또한 F형 엔진이라고도 불리기도 하며, 수평대향 엔진만의 독특한 배기음이 특징이다. 자동차에 탑재되기 시작한 건 1903년부터이며, 개발 당시에는 피스톤이 누워 있는 상태에서 좌우로 움직이기 때문에 편마모에 취약하다는 내구성 문제가 있었다. 엔진룸의 구조 자체가 복잡하여 정비성도 좋지 못했다. 수평대향 엔진은 높이가 낮고 가로 길이가 넓다 보니 엔진의 무게중심이 낮아지면서 차량의 무게와 균형을 잡아 핸들링이 뛰어나다. 또한, 기존의 피스톤 엔진은 회전력을 일정하게 하기 위해 카운터 웨이트와 같은 평형 추가 붙어 무게가 증가하며, 크랭크축이 필요 이상의 강성을 요구받기 때문에 엔진의 효율성이 떨어지고, 엔진 전체 무게를 증가하는 원인이 된다. 하지만 수평대향 엔진처럼 실린더를 눕혀서 배치하게 되면 양쪽 실린더의 폭발력이 상쇄되어 카운터 웨이트를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 수평대향 엔진을 탑재하는 자동차로는 스바루와 포르쉐가 있다. 스바루는 4기통 엔진을, 포르쉐는 6기통 엔진을 사용한다. 페라리는 12기통 엔진을 수평대향 엔진으로 제작하기도 했고, 토요타의 쿠페인 토요타 84에도 4기통 수평대향 엔진을 장착했다. 또한 혼다의 바이크와 BMW에서도 활용된다.

참고자료

• 〈V 엔진〉, 《위키백과》
• 〈직렬형 엔진〉, 《네이버 지식백과》
• 뉴스팀, 〈[자동차 상식] 당신의 엔진은 어떻게 생겼습니까?〉, 《오토뷰》, 2015-06-03
• 제시 크로스(Jesse Crosse), 〈직렬 6기통 엔진이 다시 늘어나는 이유〉, 《오토카코리아》, 2020-12-07
• 김서현, 〈내연기관 자동차의 심장, 엔진 이야기〉, 《타고》, 2021-02-18
• 자CAR르타, 〈고급 차량에 주로 쓰이는 V형 엔진의 특징에 대해 알아보자.〉, 《네이버 블로그》, 2023-10-04

같이 보기

• V형엔진
• 수평대향 엔진

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